SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展

连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC CMCs)具有低密度、优异的高温力学性能和抗氧化性能,在航空发动机热端部件上具有广阔的应用前景,具备提高发动机推重比和使用温度、减轻无效重量、简化系统结构等显著优势.延长SiCf/SiC复合材料在航空发动机高温氧化环境下的服役寿命是当前需要解决的难题.本文从纤维、界面相、基体、表面涂层四个方面综述了SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展.采用多元多层自愈合界面相、对基体进行改性以及采用表面自愈合整体涂层都可以有效提高SiCf/SiC复合材料在高温氧化环境中的使用稳定性和寿命.     

核用SiCf/SiC复合材料研究进展

核用SiC_f/SiC复合材料是国际上材料研究的一个热点,本文简要介绍了SiC_f/SiC复合材料的制备工艺,重点综述了SiC_f/SiC复合材料的抗辐照性能和耐腐蚀性能等方面的研究成果,详细介绍了SiC_f/SiC复合材料燃料包壳管的研究进展,并对核用SiC_f/SiC复合材料研究中需要关注的重点问题提出了几点思考。     

电泳沉积时间对SiC_f/SiC复合材料性能的影响

针对电泳沉积结合先驱体浸渍裂解的方法制备SiC_f/SiC复合材料过程,探讨沉积时间对SiC纤维及SiC_f/SiC复合材料性能的影响规律。实验结果得出:随电泳沉积时间的延长,SiC纤维逐渐被腐蚀,致使其单丝强度下降;而在SiC纤维表面覆盖PyC涂层可以有效地保护SiC纤维,由于悬浮液中的通电作用,Py C涂层与SiC纤维的界面结合强度略有降低,纤维单丝强度随电泳时间的延长先增大后减小。5 min的电泳沉积结合9个周期的PIP得到了SiC_f/SiC复合材料最大的弯曲强度为731 MPa,随后其力学性能随着沉积时间的延长先降低后略微回升;SiC_f/SiC复合材料的热导率随沉积时间的延长先增大后减小,10 min电泳沉积得到了常温下SiC_f/SiC复合材料的最大热导率为4.658 W/(m·K)(25℃)。     

SiC纤维及其增强SiCf/SiC复合材料的研究进展

SiC_f/SiC复合材料的低密度、耐高温、抗环境腐蚀及抗氧化等突出性能,使其在航天及空天飞行器的热端部件、热防护结构、发动机热端部件及核工业等领域取得了重大应用,是新一代最佳的高温结构材料。SiC纤维作为增强相,自身抗拉强度高、抗蠕变性能好、兼具耐高温、抗氧化等优点,且与陶瓷基体有着优异的相容性,可使陶瓷复合材料克服脆性,具有韧性,极大地推动了陶瓷复合材料的应用。文章以碳化硅纤维研发技术的三个重要发展阶段为例,详细阐述了碳化硅纤维的制备方法及性能特点,同时对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的不同制备工艺进行了介绍,并分析了该复合材料当前国内外的应用现状,文章简述了SiC_f/SiC复合材料的发展及推广前景。     

连续SiC纤维增韧SiC基体复合材料研究进展

近年来,SiC纤维增韧SiC基体复合材料(SiC<,f>/SiC)由于具有良好的高温力学、抗化学腐蚀、高的韧性与抗中子辐照等优异性能而受到广泛关注.本文主要从纤维、界面层、基体与应用四方面评述了近年来国内外的研究进展.SiC纤维的性能直接影响了界面层材料与基体制备技术的选择.电泳沉积有望成为一种低成本、节能及对环境无污染的界向层及基体制备技术.在应用方面,作为热结构材料,SiC<,f>/SiC复合材料已经得到了实际应用.核反应堆用SiC<,f>/SiC结构材料的研究到了实际考核验证阶段.高性能SiC纤维的大规模生产是SiC<,f>/SiC广泛应用的前提条件.     

界面相对碳纤维增韧碳化硅复合材料性能的影响

利用减压ＣＶＩ技术制备了三维碳纤维增韧碳化硅复合材料,研究了热解碳界面相对复合材料性能的影响。结果表明：适当选择界面相厚度,可获得弯曲强度和断裂韧性较高的碳纤维增韧碳化硅复合材料。     

SiCf/SiO2复合材料的制备及界面层对其力学性能的影响

以碳化硅(SiC)纤维为增强体,采用真空浸渍法制备了2.5维连续SiC纤维增韧的SiO2基(SiCf/SiO2)复合材料,研究了SiC纤维编织体上不同的界面层对SiCf/SiO2复合材料力学性能的影响.化学气相渗透(CVI)法制备的热解碳(PyC)和PyC/SiC双层界面层分别使材料的抗弯强度由无界面层的52.2 MPa提高至67.4 MPa和180.3 MPa,但均使材料的韧性降低.用扫描电镜观察了材料的断口形貌,结果表明,PyC和PyC/SiC层不仅提高了材料的抗弯强度,而且增加了基体同纤维间的结合力,使基体有效地将载荷传递给纤维.PyC/SiC层能有效地保护SiC纤维,防止烧结过程中释放出的结晶水对纤维的损伤,有助于提高材料的力学性能.     

单颗磨粒划擦SiCf/SiC复合材料试验研究

为研究纤维增强SiC陶瓷基复合材料磨削机理,进行单颗磨粒划擦试验.搭建试验平台,采用电镀后的单颗金刚石磨粒划擦SiCf/SiC复合材料,实时采集划擦力.利用SEM图像对材料去除后的表面与存在的表面损伤形式进行表征,从而揭示磨粒形状、划痕深度与SiC纤维取向对磨削机理的影响.试验结果表明,SiCf/SiC复合材料划擦过程...     

纤维类型对C/SiC复合材料性能的影响

利用化学气相浸渗法制备了Cf-C/SiC复合材料,借助SEM、TEM等研究了纤维类型对Cf-C/SiC复合材料力学性能的影响.实验证明T300碳纤维增韧补强效果优于M40碳纤维,利用T300碳纤维制备出弯曲强度为459M,断裂韧性为20.0MPa*m1/2,断裂功为25170J/m2的Cf-C/SiC复合材料.2种碳纤维增韧效果的差异是由纤维的原始强度、热膨胀系数和弹性常数的不同决定的.     

SiC/SiC复合材料抗氧化界面相的研究现状及展望

SiC/SiC复合材料具有耐高温、抗氧化、耐烧蚀、抗热震等优异性能,是航空航天领域理想的高温结构材料.界面相是影响SiC/SiC复合材料性能的关键因素之一.依据陶瓷基复合材料界面相设计理念的不同,本工作将SiC/SiC复合材料界面相分为层状结构、难熔氧化物、稀有金属盐、多元陶瓷4大类,综述了各类界面相的材料种类与形式、...     

SiC/SiC复合材料及其应用

日本开发的Nicalon和Tyranno两种品牌的SiC纤维占有世界上绝对性的市场份额。SiC/SiC复合材料典型的界面层是500 nm厚的单层热解碳(PyC)涂层或多层(PyC-SiC)n涂层,在湿度燃烧环境及中高温条件下界面层的稳定性是应用研究的重点。SiC/SiC复合材料,包括CVI-SiC基体和日本开发的Tyranno hex和NITE-SiC基体等,具有耐高温、耐氧化性和耐辐射性的特点,在航空涡轮发动机部件、航天热结构部件及核聚变反应堆炉第一壁材料等方面正开展工程研制应用。     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

Ti3SiC2/SiC复合材料的抗高温氧化性研究

采用反应热压烧结法制备Ti3 SiC2/SiC复合材料,针对不同SiC含量的Ti3 SiC2/SiC复合材料在1100 ～ 1500℃下恒温氧化20h的氧化行为进行了研究.结果表明:(1)适量SiC的引入能有效的提高Ti3 SiC2/SiC复合材料的抗高温氧化性能;(2)复合材料的氧化膜分内外两层,外层成分为TiO2,逐渐向内层过渡为TiO2和SiO2的混合物.     

基体改性对SiC/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响

采用先驱体浸渍-裂解工艺结合三种基体改性方式制备了SiC/SiC复合材料,通过形貌分析和力学性能测试,分析了基体改性对Si C/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响。研究表明,经1200℃静态空气氧化100h后,三种基体改性的复合材料弯曲强度几乎没有下降,氧化200h后,弯曲强度保留率均可达到80%;氧化300h后,复合材料内部结构没有氧化现象,表面区域界面层的氧化程度降低。改性基体中的B元素氧化生成液相封填SiC涂层表面,延缓了SiC涂层的氧化进程,并阻止氧化介质进入复合材料内部,保护纤维和界面层,从而使SiC/SiC复合材料的长时静态高温抗氧化性能明显提高。     

短切SiC纤维含量对SiCsf/LAS复合材料性能的影响

用热压烧结法制备了不同纤维含量的SiCsf/LAS玻璃陶瓷复合材料,研究了该复合材料的微观结构、力学性能和微波介电性能。结果表明:随着SiC纤维含量的增加,SiCsf/LAS材料的抗弯强度先增加后降低,最大值为104MPa。由于碳界面层的形成,SiCsf/LAS比LAS具有更高的介电常数。当SiC短切纤维的质量分数为1.5%时,SiCsf/LAS复合材料介电常数具有最大值,其实部ε′和虚部ε″均值分别为48和66,并具有明显的频散效应。     

3D C/SiC复合材料的孔隙率与性能的关系

用浸债裂解法（PIP）和均效化学气相渗透法（ICVI）混合工艺制备了3DC／SiC复合材料,研究了3DC／SiC复合材料中基体含量。孔隙分布特征与复合材料性能的关系。结果表明,基体中CVI－SiC相对含量增加,开孔率增加,闭孔率减少,复合材料的弯曲强度和抗氧化性能提高。孔隙对复合材料性能的影响关系是由两种基体的特点、结构、致密化工艺及氧化机理决定的。     

界面层对陶瓷基复合材料性能的影响

纤维增强SiC陶瓷基复合材料由纤维、界面层和SiC基体组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC陶瓷基复合材料的各项性能具有非常重要的作用。本文在叙述界面层功能的基础上,讨论了界面层对陶瓷基复合材料的力学、耐高温及抗氧化性能的影响,并分析了研究中存在的问题,指出了未来研究的方向和重点。     

Ni包裹SiC对SiC(Ni)/Fe复合材料性能的影响

分别以SiC粉体和Ni包裹的SiC复合粉体为硬质相,采用热压工艺(1000°C,20°C/min,40 MPa和45 min)制备了SiC含量为1 wt%~9 wt%的SiC/Fe复合材料。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等研究了复合材料的界面反应物。研究结果表明:Ni过渡层的存在有效避免了SiC颗粒与Fe基体之间的化学反应。随着Ni包裹SiC粉体含量的增加,复合材料的相对密度和抗弯强度先增加后减小,当SiC(Ni)粉体含量为5 wt%时达到最大值。     

SiC/Si-MoSi2抗氧化涂层的制备及性能研究

为了提高石墨材料的抗氧化性,在石墨表面制备SiC/Si-MoSi2抗氧化涂层。首先以Si粉为原料,采用液硅渗透法制备SiC内层;然后以Mo粉和Si粉为原料,配制成m(Mo)∶m(Si)分别为1∶5、1.5∶5、2∶5和2.5∶5的料浆,采用料浆烧结法制备Si-MoSi2外层。利用SEM和EDS分析SiC/Si-MoSi2涂层于1400℃氧化前后的结构及组成。结果表明,料浆的Mo粉和Si粉配比对涂层的抗氧化性能有很大影响,当m(Mo)∶m(Si)=2∶5时,涂层具有最佳的抗氧化性能,且表现出长时间的抗氧化能力。     

纤维氧化处理对SiCsf/SiC复合材料力学性能的影响

以Y2O3、Al2O3为烧结助剂,采用无压烧结法制备短碳化硅纤维(2～4mm)增强碳化硅(ShortSiCfiberreinforcedSiCcomposite,SiCsf/SiC)复合材料,研究了纤维氧化处理对SiCsf/SiC复合材料结构及力学性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)以及力学性能试验机对材料进行结构表征和力学性能测试。结果表明:纤维氧化处理后,复合材料的弯曲强度和断裂韧性均有大幅提高。当纤维含量达到5wt%时,复合材料断裂韧性为5.41MPa.m1/2,与原始纤维增强SiC样品相比,提高了6.5%;与无纤维增强SiC样品相比,提高了27%。扫描电镜显示纤维氧化处理后,纤维与基体结合紧密。